Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1.
As Redes Sem Fio
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As Redes Sem Fio
Prof: Carlos Alberto Vieira Campos
Roteiro da Aula
Introdução
Características das redes sem fio
Tipos de redes sem fio
Modos de operação
Os problemas de terminal escondido e exposto
O padrão IEEE 802.11e suas variações
Canais e associação
O protocolo CSMA/CA
O quadro 802.11
Estudos de caso
Introdução
Definição:
As redes sem fio são compostas por dispositivos computacionais que se comunicam sem a necessidade de fios e sim, utilizando geralmente, antenas de rádio para enviar sinais eletromagnéticos através do ar atmosférico.
As redes sem fio, trazem novos requisitos e desafios não encontrados em redes de computadores com fio.
Elementos de uma rede sem fio
Hospedeiros sem fio Laptop, PDA, IP phone Rodam aplicações Pode ser fixos ou móveis
“sem fio” nem sempre significa mobilidade
Handoff
Elementos de uma rede sem fio
Estação-base Tipicamente se conecta à rede cabeada Relay – responsável por enviar pacotes entre a rede cabeada e os hospedeiros sem fio na sua “área” Ex.: torres de celular pontos de acesso 802.11
Elementos de uma rede sem fio
Enlace sem fio Tipicamente usado para conectar os hospedeiros móveis à estação-base Também usado como enlace de backbone Necessitam de protocolos de acesso múltiplos para coordenar o acesso Várias taxas de dados e distâncias de transmissão.
Características
Força reduzida do sinal: os sinais de rádio se atenuam à medida que elesse propagam através da matéria (path loss)
Interferência de outras fontes: as freqüências padronizadas para redes sem fio (ex., 2,4 GHz) são compartilhadas por outros equipamentos (ex., telefone sem fio); motores também produzem interferência
Propagação de múltiplos caminhos: o sinal de rádio se reflete no solo e em objetos. O sinal principal e os refletidos chegam ao destino em instantes ligeiramente diferentes
Taxas de erros maiores que em redes cabeadas
Tipos de redes sem fio
Principais tipos e seus padrões
IEEE 802.15Bluetooth
WAN
MAN
LAN
PAN ETSIHiperPAN
IEEE 802.11WirelessLAN ETSI HiperLAN
IEEE 802.16 -2004Wireless MAN
ETSI HiperMAN and HiperACCESS
IEEE 802.20Mobile BWA
3GPP, 3GPP2, EDGE (GSM)
IEEE 802.16eMobile WiMAX
Tipos de redes sem fio
Taxa de dados X alcance
Indoor10-30m
Outdoor50-200m
Outdoor médioalcance
200m – 4 Km
Outdoor longoalcance
5Km – 20 Km
0,056
0,384
1
4
5-11
54
IS-95, CDMA, GSM 2G
UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G
802.15
802.11a,g
UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO Melhorias 3G
802.16 (WiMAX)
200 802.11n
Tax
a de
dad
os (
Mbp
s)
802.11b
Tipos de redes sem fio
O enfrentamento de novos desafios para o suporte a computação móvel e ubíqua está proporcionando redes sem fio com novas características auto-configuração dos dispositivos, auto-organização da
rede, auto-gerenciamento dos recursos, suporte a mobilidade, a troca de dados sem uma infra-estrutura pré-existente e tolerância a atrasos e desconexões.
Redes Móveis Ad hoc (MANETs) Redes de Sensores Sem Fio (sensor networks) Redes em Malha Sem Fio (mesh networks) Redes Tolerantes à Atrasos e Desconexões (DTN)
Modos de operação
modo infraestruturado
Hospedeiro sem fio se comunica com um ponto de acesso (acess point - AP)
Basic Service Set (BSS) (ou “célula”) no modo infra-estrutura contém: Hospedeiros sem fio Ponto de acesso (AP)
Modos de operação
Modo ad hoc
modo usado nas MANETs e DTN
Independent BSS (IBSS)
Arquitetura de uma rede sem fio
Rede Sem Fio
Usuário final A
Camada Enlace
Camada Física
Camada de Rede
Protocolos dasCamadas Superiores
Usuário final B
Camada Enlace
Camada Física
Camada de Rede
Protocolos dasCamadas Superiores
WWANs
WPAN, WLAN e WMAN
Alguns problemas em redes sem fio
A B C DA
terminal escondido
Alguns problemas em redes sem fio
A B C DA C
Terminal escondido
Terminal Exposto O terminal B está tentando transmitir para A. O terminal C pode ouvir a transmissão de B. Então C percebe a portadora de B e “pensa”que o canal está ocupado. Entretanto a transmissão de C não pode interferir em A. C gostaria de transmitir para D e não para A. Então C é chamado de um terminal exposto para B.
A B C DB C
pensa que não pode transmitir
para B
Wi-Fi – O padrão IEEE 802.11 Representa um conjunto de padrões para
redes locais sem fio especificado pelo IEEE; Cada sub-padrão possui características
específicas: Várias técnicas de modulação:
As mais populares definidas: “b”, “a”, “g” e “n”.
Os demais sub-padrões incluem melhorias de serviço e extensões ou correções de especificações anteriores;
Sub-padrões IEEE 802.11
Padrão Descrição
IEEE 802.11 “Original”; 1 e 2 Mbit/s; 2,4 GHz RF e IR (1997)
IEEE 802.11a 54 Mbit/s, 5 GHz (1999)
IEEE 802.11b 5.5 e 11 Mbit/s, 2,4 GHz (1999)
IEEE 802.11d Extensão de roaming Internacional (2001)
IEEE 802.11e Melhorias para suporte a QoS (2005)
IEEE 802.11f Protocolo entre pontos de acesso- handoff (2003)
IEEE 802.11g 54 Mbit/s, 2,4 GHz, compatível com 802.11b (2003)
IEEE 802.11i Melhorias de segurança (2004)
IEEE802.11n Aumento na largura de banda, centenas de Mbps
Wi-Fi - IEEE 802.11
IEEE 802.11a Opera na faixa de freqüência de 5 GHz. Taxa de dados máxima de 54 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação OFDM – Multiplexação
por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ).
NÃO é compatível com 802.11b e 802.11g
Wi-Fi - IEEE 802.11
IEEE 802.11b Opera na faixa de freqüência de 2.4 GHz. Taxa de dados máxima de 11 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação DSSS – Espalhamento
de Espectro por Seqüência Direta (Direct sequence spread spectrum).
1º padrão comercial amplamente difundido.
Wi-Fi - IEEE 802.11
IEEE 802.11g Opera na faixa de freqüência de 2.4 GHz. Taxa de dados máxima de 54 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação OFDM – Multiplexação
por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ).
É COMPATÍVEL com 802.11b.
Wi-Fi - IEEE 802.11
IEEE 802.11n draft Opera na faixa de freqüência de 2,4 GHz e 5
GHz. Taxa de dados de até 300 Mbit/s. Técnica de modulação OFDM-MIMO,
Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal - (Multiple-Input Multiple-Output).
Teoricamente pode ser COMPATÍVEL com os outros padrões.
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802.11b: o espectro de 2,4 GHz-2,485 GHz é dividido em 11 canais de diferentes freqüências O administrador do AP escolhe a freqüência para o AP Possível interferência: canal pode ser o mesmo que aquele escolhido por um AP vizinho!
Hospedeiro: deve se associar com um AP Percorre canais, buscando quadros beacon que contêm o nome do AP (SSID) e o endereço MAC Escolhe um AP para se associar Pode realizar autenticação [mecanismo de segurança] Usa tipicamente DHCP para obter um endereço IP na sub-rede do AP
O uso de canais e a associação no ponto de acesso
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Evita colisões: 2 ou mais nós transmitindo ao mesmo tempo 802.11: CSMA – escuta antes de transmitir Não colide com transmissões em curso de outros nós
802.11: não faz detecção de colisão! Difícil de receber (sentir as colisões) quando transmitindo
devido ao fraco sinal recebido (desvanecimento) Pode não perceber as colisões: terminal oculto, fading Meta: evitar colisões: CSMA/C(collision)A(voidance)
O controle de acesso ao meio
O controle de acesso ao meio
Dois modos de operação CSMA/CA: Distributed Coordination Function
(DCF) com disputa pelo meio
Priority-Based: Point Coordination Function (PCF) coordenador no ponto de acesso sem disputa pelo meio
Transmissor 802.111. Se o canal é percebido quieto (idle) por
DIFS então Transmite o quadro inteiro (sem CD).2. Se o canal é percebido ocupado, então Inicia um tempo de backoff aleatório Temporizador conta para baixo enquanto
o canal está quieto Transmite quando temporizador expira
Se não vem ACK, aumenta o intervalo de backoff aleatório, repete 2.
Receptor 802.11 Se o quadro é recebido OK retorna ACK depois de SIFS (ACK é
necessário devido ao problema do terminal oculto)
O protocolo CSMA/CA
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Idéia: permitir ao transmissor “reservar” o canal em vez de acessar aleatoriamente ao enviar quadros de dados: evita colisões de quadros grandes Transmissor envia primeiro um pequeno quadro chamado request to send (RTS) ao ponto de acesso usando CSMA RTSs podem ainda colidir uns com os outros, mas são pequenos
O ponto de acesso envia em broadcast clear to send (CTS) em resposta ao RTS
CTS é ouvido por todos os nós Transmissor envia o quadro de dados Outras estações adiam suas transmissões
Evita colisões de quadros de dados completamente usando pequenos quadros de reserva!
Evitando colisões
Evitando colisão: a troca de RTS-CTS
APA B
time
RTS(A)RTS(B)
RTS(A)
CTS(A) CTS(A)
DATA (A)
ACK(A) ACK(A)
reservation collision
defer
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Quadro 802.11: endereçamento
Endereço 2: endereço MACdo hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro
Endereço 1: endereço MAC do destino ou AP que deve receber o quadro
Endereço 3: endereço MACda interface do roteador à qual o AP é ligado
Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc
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Duração do tempo detransmissão reservada (RTS/CTS)
# seg do quadro(para ARQ confiável)
Tipo de quadro(RTS, CTS, ACK, dados)
Quadro 802.11
Wi-Fi - IEEE 802.11
Aplicações: Escritórios Residenciais
Wi-Fi - IEEE 802.11
Aplicações: Redes em Salas de Aula